Thèse Étude Théorique des Mélanges Quantiques Dégénérés en Microgravité H/F - 75

Établissement : Université Paris-Saclay GS Physique
École doctorale : Ondes et Matière
Laboratoire de recherche : Institut des Sciences Moléculaires d'Orsay
Direction de la thèse : Eric CHARRON ORCID 0000000316606368
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-03-22T23:59:59

Les mélanges quantiques dégénérés constituent un système d'une grande richesse, à l'origine de nombreuses avancées théoriques et expérimentales [1]. Ils peuvent être formés de deux composants : deux états de spin interne d'une même espèce en condensation de Bose-Einstein, deux isotopes d'une même espèce, ou deux espèces atomiques distinctes. Au cours des dernières années, l'intérêt pour les mélanges binaires s'est élargi au-delà de la physique fondamentale des gaz quantiques pour s'étendre à la métrologie et, plus largement, au développement des technologies quantiques. L'interférométrie atomique, en particulier, exploite la nature ondulatoire des atomes ultra-froids pour réaliser des mesures d'une précision inégalée, qu'il s'agisse de tests des lois fondamentales de la physique, de la détection d'ondes gravitationnelles, de la navigation inertielle ou de la géodésie. L'utilisation de mélanges binaires dans ces interféromètres ouvre des perspectives nouvelles, notamment pour la suppression du bruit par des mesures différentielles entre les deux espèces, ou pour des tests du principe d'équivalence faible par comparaison de la chute libre de deux espèces atomiques distinctes.

Dans ce contexte, les expériences en microgravité et dans l'espace jouent un rôle déterminant : elles permettent de prolonger considérablement la durée d'expansion libre des nuages atomiques, offrant ainsi un gain substantiel en sensibilité et en temps d'observation [2]. L'espace fournit en effet un environnement dans lequel les nuages d'atomes peuvent évoluer librement pendant plusieurs secondes, tout en ouvrant accès à des régimes de miscibilité entre espèces inaccessibles au sol.

Cette thèse théorique portera sur l'étude de la dynamique de tels systèmes dans le régime de champ moyen, dans le prolongement de travaux conjoints antérieurs menés par les deux équipes de Paris-Saclay et de l'université Leibniz de Hanovre [3]. Plusieurs axes novateurs seront explorés, en lien étroit avec des expériences de microgravité réalisées dans un ascenseur d'Einstein opérant à Hanovre. Ces axes incluent la recherche d'états de mélange exotiques en condition terrestre, le transport simultané de deux espèces atomiques, ainsi que la formation de bulles quantiques exploitant les interactions interespèces [4]. Au-delà de leur intérêt fondamental, ces travaux contribueront à l'optimisation des sources atomiques bi-espèces pour la prochaine génération d'interféromètres atomiques embarqués.

Références
[1] C. Baroni et al., Nature Reviews Physics, 6, 736 (2024)
[2] E. Elliott et al., Nature 623, 502 (2023)
[3] A. Pichery et al., AVS Quantum Science 5, 044401 (2023)
[4] A. Wolf et al., Phys. Rev. A 106, 013309 (2022)

L'étude des mélanges quantiques dégénérés connaît un essor considérable, porté à la fois par les progrès expérimentaux dans le contrôle des interactions interespèces et par les perspectives ouvertes en métrologie quantique et en physique fondamentale. Les expériences en microgravité, qu'elles soient réalisées en tour de chute libre, en ascenseur d'Einstein ou dans l'espace (Cold Atom Lab de la NASA à bord de l'ISS), constituent aujourd'hui un front de recherche majeur, permettant d'accéder à des régimes de physique inaccessibles au sol : temps d'expansion prolongés, nouvelles conditions de miscibilité et possibilités de sensibilités interférométriques accrues. La modélisation théorique de ces systèmes est indispensable pour guider la conception des protocoles expérimentaux et interpréter les résultats obtenus.

C'est dans ce contexte que s'inscrit la collaboration entre les équipes de Paris-Saclay (ISMO) et de l'université Leibniz de Hanovre (IQO), qui associe l'expertise théorique de la première à la plateforme expérimentale unique de la seconde. Ce partenariat, actif depuis de nombreuses années, a déjà donné lieu à trois thèses en cotutelle menées à bien avec succès (Robin Corgier, 2015-2019, aujourd'hui Maître de Conférences à Sorbonne Université ; Sirine Amri, 2018-2022, aujourd'hui en poste dans le secteur privé ; Annie Pichery, 2020-2024, actuellement en post-doctorat en France). La thèse proposée s'inscrit dans la continuité directe de ces travaux. Elle est prévue pour une durée de quatre ans, répartie à parts égales entre Paris-Saclay et Hanovre. Le partenaire allemand dispose du financement nécessaire pour deux ans. Un financement complémentaire de deux ans est donc sollicité auprès du programme ADI-cotutelles de Paris-Saclay.

Il s'agit d'apporter un support théorique à des expériences de pointe extrêmement novatrices réalisées dans l'équipe expérimentale de l'université Leibniz de Hanovre. Plus précisément, les objectifs de cette thèse sont triples. Sur le plan méthodologique, il s'agira de développer et d'adapter des modèles de champ moyen (équations de Gross-Pitaevskii couplées, approches variationnelles, simulations 3D) pour décrire la dynamique de mélanges binaires en microgravité. Sur le plan physique, l'enjeu est d'explorer de nouveaux régimes accessibles en apesanteur (états de mélange exotiques, transport bi-espèces, bulles quantiques, collimation 3D) et de comprendre le rôle des interactions interespèces dans ces configurations. Sur le plan applicatif, ces travaux visent à guider l'optimisation des sources atomiques bi-espèces en vue de leur utilisation dans la prochaine génération d'interféromètres atomiques embarqués, pour des applications en métrologie de haute précision et en tests des lois fondamentales.